*** 1. Doutor, e-mail: sellitto@unisinos.br 2. Graduado, e-mail: rafael.morais01@ hotmail.com ***
APLICAÇÃO DO ENSAIO POR
ULTRASSOM NO CONTROLE DE
QUALIDADE DE PROCESSO DE
SOLDAGEM A PONTO EM OPERAÇÃO
INDUSTRIAL
Miguel Afonso Sellitto1 Rafael Antunes Morais2
Resumo
O objetivo deste artigo foi testar a viabilidade de substituir ensaios destrutivos por ensaio por ultrassom nas operações de controle de qualidade no processo de solda a ponto por resistência em uma empresa da indústria automotiva. O método de pesquisa foi o experimento. A unidade de análise foi uma empresa situada no Complexo Industrial Automotivo de Gravataí. Foram comparados os resultados de ensaios destrutivos e ensaios não-destrutivos baseados em ultrassom. Foi usada a análise de correlação matemática para comparar o comportamento de parâme-tros de soldagem selecionados para o teste. Foram calculadas as correlações entre ultrassom e macrografia para o diâmetro do ponto de solda e para a indentação do ponto de solda. A primeira rodada de testes não foi bem sucedida. Após ajustes na metodologia de testes, chegaram-se a correlações elevadas, acima de 80%, o que deu suporte científico para a adoção do ultrassom como método de inspeção. A eliminação dos ensaios destrutivos resultou em ganhos financeiros, de qualidade, ambientais e ergonômicos. Eliminaram-se cerca de 570kg por dia de geração de sucata, reduziram-se cerca de R$ 80.000 de custo dos testes por dia, houve melhoria da imagem com a montadora de veículos, pela redução de defeitos e retrabalhos e expressiva redução de ruídos e de esforço físico de trabalhadores.
Palavras-Chave: Ultrassom. Macrografia. Ensaio não-destrutivo. Inspeção. Solda por resistência.
O Brasil ocupa atualmente a sexta posição mundial na fabricação de veículos automotores. Em 2011, foram produzidos 3.408 milhões de automóveis. O mercado interno possui po-tencial de expansão, pois são 6,1 veículos por habitante, o que faz com que a nação ocupe a décima sexta posição mundial em densidade veicular, cujas lideranças são respectivamente: China, Japão, Estados Unidos, Alemanha e Coréia do Sul (ANFAVEA, 2012). Tais dados demonstram o alto volume e o potencial de crescimento que o mercado automobilístico brasileiro ostenta, estimulando pesquisas para a proposição de novas técnicas de manufatura e o aperfeiçoamento das existentes. Uma dessas técnicas que pode e deve ser aperfeiçoada é o controle de qualidade da solda por resistência a ponto por Ensaios Não-Destrutivos (END) (WEINER, 2005).
O processo de soldagem por
resistência a ponto busca a
união de duas ou mais
cha-pas compostas por metais ou
não metais, por aplicação
de calor e pressão, ou
so-mente pressão, adicionando
ou não metal de adição.
(AWS, 1997).
O processo de solda a ponto por resistência é contínuo, podendo ser realizado de forma manual ou automática, por operador humano ou robótico. (SANTOS, 2006).
1 INTRODUÇÃO
Algumas das prioridades em processos indus-triais contínuos são o rendimento da linha de fabricação (SELLITTO, 2002) e a qualidade do produto acabado (VIDOR; FOGLIATTO, 2013). Na indústria automotiva, ambos são influenciados pelo desempenho em processos de soldagem. Tais processos podem ser moni-torados por parâmetros de soldagem, que são calculados tendo por base a espessura da chapa, os materiais a serem soldados e o acabamento superficial desejado. Tais parâmetros são: tempo de solda, intensidade de corrente e força entre eletrodos (FURLANETTO, 2009). Tanto para operadores humanos quanto para operadores robóticos, controles de qualidade são necessários no processo. A detecção de falhas no processo de solda pode ser por inspeção amostral ou 100% (SANTOS, 2006). A qualidade de um ponto de solda é verificada pela medição de características de qualidade, através do diâmetro e da indentação do ponto de solda (GM, 2006). Existem diferentes formas para a inspeção da qualidade da solda por ensaios não des-trutivos, tais como o raio x, ultrassom, entre outros (STOCCO; BATALHA, 2010). Até recentemente, os métodos existentes baseados em ultrassom não conferiam o diâmetro do ponto de solda, apenas a fixação do ponto. Esta característica é devida ao fato de o modelo de transdutor empregado ser o modelo de simples elemento. Na última década, um novo tipo de transdutor foi desenvolvido em conjunto entre uma montadora de automóveis e uma universidade do Canadá. Trata-se do transdutor B-Scan, ou matricial. A técnica de ensaios de ultrassom com transdutor matricial pode ser considerada uma importante técnica na tec-nologia de inspeção de solda por resistência a ponto (MAEV et al., 2000).
A técnica de ensaio por ultrassom não é novi-dade na indústria, mas o equipamento utilizado nos testes sim. Com este artigo pretende-se ir ao encontro de uma tendência da indústria automotiva, a utilização de ensaios não-destru-tivos por ultrassom. Esse tipo de ensaio vem sendo empregado na validação do processo de soldagem em diversos produtos e áreas, tais como: naval, nuclear, petrolífera e aeroespacial. (LOPES et al., 2010).
A primeira aquisição dos equipamentos de ultrassom com transdutor matricial modelo RSW-1, na América Latina, foi realizada pela empresa em estudo no início do ano de 2011. (TESSONICS, 2013).
Essa aquisição foi
determi-nada pela necessidade de
im-plantação de um controle
de qualidade mais rigoroso
que o até então instalado
para a soldagem da
carro-ceria de um novo veículo a
ser produzido no Complexo
Industrial Automotivo de
Gravataí, RS.
Mesmo após a compra, a empresa ainda reali-zava ensaios destrutivos em frequência definida nos planos de controle de qualidade vigentes e aprovados pela montadora de veículos. À me-dida que a produção do recém-lançado veículo aumentava, a realização de ensaios destrutivos passou a representar custo elevado de refugo. Para isso, optou-se por apresentar uma proposta ao cliente de eliminação gradual dos ensaios destrutivos, fundamentada em um estudo de correlação entre a macrografia e o uso do ul-trassom. Nesta pesquisa, os conjuntos soldados são módulos de carroceria de veículo. Após o controle, ainda existe uma montagem final.
Com a eliminação de ensaios destrutivos, a redução de custo de geração de sucata foi subs-tancial, atingindo cerca de um milhão de reais por ano, contabilizando apenas os conjuntos que eram sucateados por este ensaio. Em re-lação à qualidade, a detecção é mais rápida, porque o tempo de ensaio é menor e, assim, foi possível reduzir a frequência de inspeção. Tem-se a garantia de inspeção dos lotes antes do envio para o cliente, não ocasionando mais reclamações formais e pagamento de carrocerias inteiras por falhas. Ergonomicamente, não há mais riscos de afastamento de operadores por lesões repetitivas relacionadas à operação com o martelete – equipamento utilizado no ensaio destrutivo por arrancamento, gerando o cha-mado efeito óbvio agudo. Efeito óbvio agudo é a desordem traumática que ocorre sempre que o nível de força exercida abruptamente é consideravelmente superior à capacidade do indivíduo. (VARGAS; PILATTI, 2012). O objetivo deste artigo é testar a viabilidade de substituir ensaios destrutivos por ensaio por ultrassom nas operações de controle de qualida-de no processo qualida-de solda a ponto por resistência em uma empresa da indústria automotiva. O método de pesquisa foi o experimento. Os ob-jetivos específicos foram: especificar parâmetros de solda a serem comparados entre os dois métodos de teste; fazer testes comparados entre os dois métodos; concluir a respeito e avaliar os ganhos obtidos. O método de trabalho foi: por revisão teórica, especificando os parâmetros do experimento; fazer o experimento; por corre-lação matemática, analisando criticamente os resultados e corrigindo o experimento; concluir e calcular os benefícios potenciais que o resul-tado do experimento pode gerar. O restante do artigo está organizado em: revisão, metodologia, resultados, discussão e considerações finais.
Solda a ponto é o processo de soldagem em que a união de chapas é realizada sem adição de consumíveis. O termo solda por resistência provém de uma propriedade elétrica, chamada resistência elétrica, que dificulta a passagem do fluxo de corrente elétrica no metal a ser soldado, promovendo a geração de calor. A resistência ao fluxo de corrente é a fonte geradora de calor na soldagem por resistência. Um par de eletrodos aplica uma força de compressão entre as chapas, evitando o escoamento da massa metálica em fusão. (INTERMACHINERY, 2003). A figura 1 ilustra o processo.
Figura 1: Princípio de funcionamento da solda por resistência P I I P Eletrodo superior Peça superior Peça inferior Eletrodo superior Ponto P = pressão I = corrente de soldagem Fonte: Weiner (1992)
A qualidade do processo de soldagem por resis-tência a ponto está associada a parâmetros que devem ser controlados e têm influência direta na fusão dos materiais. (FURLANETTO, 2009).
Os três principais parâmetros são: tempo de solda, intensidade de corrente e força entre eletrodos. Na especificação do processo de sol-dagem, devem ser considerados a espessura da chapa, o material a ser soldado e o acabamento superficial desejado. (SANTOS, 2006). O tempo de soldagem é compreendido entre o início e o término da passagem da corrente elétrica. O tempo de solda orienta-se, em pri-meiro lugar, pela espessura das chapas a serem soldadas: quanto mais espessas, maior será o tempo requerido. O tratamento superficial tam-bém exerce influência no tempo de soldagem: quanto maior o tempo, maior será o poder de fusão. A intensidade da corrente de soldagem aquece a área dos metais até a temperatura de fusão dos materiais comprimidos pelos eletro-dos. Quanto maior a corrente elétrica, maior a área aquecida e maior será a poça de fusão. A força entre eletrodos no momento da solda é necessária para que se tenha uma junção adequada das chapas a serem soldadas. Essa força é responsável pela resistência elétrica de contato entre as chapas soldantes. Essa resis-tência determinará a qualidade da solda, pois seu valor influencia diretamente na quantidade de calor gerado na região de formação do ponto de solda. (SANTOS, 2006).
Um ponto de solda é inspecionado por algu-mas características, cujas especificações podem variar segundo as normas internas de cada em-presa. A figura 2 exemplifica as características de controle em um ponto de solda típico.
2 O PrOcessO de sOlda a POntO POr
resistência e tiPOs de ensaiOs
Figura 2: Caracterização de um ponto de solda p i c d pi i = Indentação do ponto p = Penetração do ponto (altura) c = Centralização do ponto pi = Penetração individual d = Diâmetro do ponto
Fonte: Furlanetto (2009)
Para verificação das
pro-priedades identificadas na
figura, diversos métodos
de controle podem ser
uti-lizados. De forma geral, é
possível classificá-los como
destrutivos e não
destru-tivos. (STOCCO; BATALHA,
2010).
Como método destrutivo, tem-se a macro-grafia e o ensaio de arrancamento do ponto. O arrancamento é o método mais utilizado na indústria por ser mais simples e rápido que a macrografia, mas é mais impreciso porque subtrai características do ponto de solda devido a deformações que a própria chapa sofre após o ensaio. O teste de arrancamento consiste em submeter o ponto de solda a um efeito de tração, posicionando ao lado do mesmo uma talhadeira e realizando golpes com o auxílio de uma marreta até que as chapas se desprendam (CALDAS, 2012). É um ensaio caro, porque a peça ensaiada deve ser sucateada.
Não é possível trabalhar de forma preventiva no controle da qualidade deste processo. O arrancamento pode ser observado na figura 3.
Figura 3: Arrancamento do ponto de solda
Fonte: Stocco e Gonçalves (2006)
Outro tipo de ensaio
des-trutivo é a macrografia do
ponto de solda. Com este
ensaio, é possível medir todas
as características que
quali-ficam um ponto de solda por
resistência, por meio de um
corte transversal no ponto
de solda.
O ensaio permite analisar indentação (I), pene-tração individual (Pi), penepene-tração (P), diâmetro (d) e descontinuidades internas no ponto em análise. Indentação do ponto de solda é a re-dução na espessura das chapas na região do ponto, criando uma profundidade na superfície da chapa soldada, que é gerada pela pressão dos eletrodos durante o processo de soldagem. (BATISTA, 2011).
A figura 4 ilustra o ensaio e a figura 5, a indentação.
Figura 4: Imagem ensaio de macrografia
Fonte: Gestamp Paraná (2013)
Figura 5: Indentação na superfície da chapa soldada criada pela pressão durante a soldagem
Fonte: Batista (2011)
2.1 Ultrassom
Um tipo de ensaio de interesse para este ar-tigo é o ensaio por ultrassom. O motivo da importância do ultrassom é o seu largo uso na indústria automotiva.
Em ensaios não-destrutivos,
pode-se usar ultrassom,
pois este também permite
realizar a análise da
estru-tura do ponto de solda.
(SANTOS, 2006).
Para que se entenda o conceito de ultrassom, parte-se do conceito de som. O som é uma forma de energia e surge devido a aumentos e reduções periódicas da densidade do ar, com-pressão e rarefação. Os princípios e conceitos básicos do som podem ser explicados pelo efeito piezelétrico. Em 1880, Pierre Curie concluiu que os cristais anisotrópicos desenvolvem cargas elétricas quando submetidos a deformações mecânicas. Aplicando cargas mecânicas nas duas faces opostas de uma lâmina de cristal de quartzo, ocorre a formação de cargas elétricas com sinais contrários nessas faces. O processo é reversível. Aplicando tensão, o cristal contrai-se ou expande-se e, aplicando uma tensão alterna-da, a superfície do cristal oscila para cima e para baixo, com um ritmo igual, produzindo uma onda ultrassônica (STOCCO; GONÇALVES, 2006). A frequência sonora de ultrassom usada no teste de materiais é imperceptível à audição humana, localizando-se na faixa de 0,5 a 25mhz (LEITE, 1977).
No processo de soldagem,
o ensaio de ultrassom é
utilizado desde a década
de 60, para a realização de
inspeção de juntas
solda-das. (LOPES et al., 2010).
Um feixe ultrassônico, com características compatíveis com a estrutura do material a ser ensaiado, é inserido em direção favorável à descontinuidade (interface entre as chapas). Se refletido pela descontinuidade, será mostrado na tela do aparelho com um pico, denomi-nado eco (MORÉ, 2004), exibido na tela do equipamento por gráficos. A identificação de descontinuidades se baseia na interpretação da série de sinais, originados da peça em análise.
Para que se entenda o conceito de ultrassom, parte-se do conceito de som. O som é uma forma de energia e surge devido a aumentos e reduções periódicas da densidade do ar, com-pressão e rarefação. Os princípios e conceitos básicos do som podem ser explicados pelo efeito piezelétrico. Em 1880, Pierre Curie concluiu que os cristais anisotrópicos desenvolvem cargas elétricas quando submetidos a deformações mecânicas. Aplicando cargas mecânicas nas duas faces opostas de uma lâmina de cristal de quartzo, ocorre a formação de cargas elétricas com sinais contrários nessas faces. O processo é reversível. Aplicando tensão, o cristal contrai-se ou expande-se e, aplicando uma tensão alterna-da, a superfície do cristal oscila para cima e para baixo, com um ritmo igual, produzindo uma onda ultrassônica (STOCCO; GONÇALVES, 2006). A frequência sonora de ultrassom usada no teste de materiais é imperceptível à audição humana, localizando-se na faixa de 0,5 a 25mhz (LEITE, 1977).
No processo de soldagem,
o ensaio de ultrassom é
utilizado desde a década
de 60, para a realização de
inspeção de juntas
solda-das. (LOPES et al., 2010).
Um feixe ultrassônico, com características compatíveis com a estrutura do material a ser ensaiado, é inserido em direção favorável à descontinuidade (interface entre as chapas). Se refletido pela descontinuidade, será mostrado na tela do aparelho com um pico, denomi-nado eco (MORÉ, 2004), exibido na tela do equipamento por gráficos. A identificação de descontinuidades se baseia na interpretação da série de sinais, originados da peça em análise.
Na técnica de impulso-eco, o transdutor emite um sinal ultrassônico perpendicular ao mate-rial, sendo medidos o tempo de propagação e a intensidade do eco vindo do material. O tempo decorrido entre a emissão do impulso e a recepção do eco pode ser convertido em distância entre o cabeçote de controle e a su-perfície refletora. A intensidade (altura do eco) é influenciada pelo tamanho, pela posição e pela forma da superfície refletora. (STOCCO; BATALHA, 2010).
Distância e intensidade podem ser visualiza-das graficamente. Ao posicionar o transdutor sobre a superfície de medição do material a ser ensaiado, um sinal sonoro é emitido e percorre a espessura do componente até atingir uma descontinuidade, refletindo o som. A desconti-nuidade é representada na tela do equipamento. Em regiões em que o feixe sonoro é emitido e o material em análise não apresente descontinui-dades, serão representados na tela apenas o eco de impulso de transmissão S e a superfície final R. As amplitudes entre estes dois representam a espessura no ponto de medição, conforme figura 6. (ALICH, 2006).
Figura 6: Imagem ultrassônica sem descontinuidade
BSH 80 60 40 20 Skt 10 8 6 4 2 0 S R Fonte: Alich (2001)
Se a região em análise apresentar descontinui-dade perpendicular à emissão do eco de impulso S e o eco de superfície final R, esta será apre-sentada na tela como eco de descontinuidade U. Interpretando graficamente a distância da amplitude do eco de impulso de transmissão S até a amplitude do eco de descontinuidade U, pode-se identificar a distância entre a superfície e a falha.
Figura 7: Imagem ultrassônica com descontinuidade
BSH 80 60 40 20 Skt 10 8 6 4 2 0 S R U Fonte: Alich (2001)
2.2 Transdutor para
ultrassom: o transdutor
A-scan
O funcionamento do transdutor A-scan baseia-se na identificação de descontinuidades internas no ponto de solda em análise. Essas descontinui-dades são expressas por meio de forma gráfica no display do aparelho. (STOCCO, 2010). A figura 8 ilustra o princípio deste equipamento.
Figura 8: Estrutura esquemática de um aparelho analógico de controle ultrassônico
Amplificador
Tela
Eco de fundo Varredura
horizontal Cronômetro Gerador de pulsos Peça de trabalho Transdutor Fonte: Stocco (2010)
Por meio de um gerador de impulsos, uma sucessão rápida de curtos impulsos elétricos é ativada no transmissor, gerando impulsos sonoros (impulsos de transmissão S).
Os impulsos acústicos que
voltam da peça de
traba-lho são convertidos pelo
mesmo transdutor de
con-trole em sinais elétricos
analógicos e enviados para
o amplificador.
O tempo de propagação e a amplitude dos vários impulsos são apresentados em um monitor. (STOCCO; BATALHA, 2010).
Por exemplo, seja um ponto de solda com microfissura. Partes das ondas sonoras serão refletidas ao transdutor, porque o tempo para a onda sonora percorrer o impulso de transmissão
S até a descontinuidade será inferior ao tem-po de percorrer do impulso de transmissão S até a superfície final R. O som é exibido com intensidade variada conforme o tamanho e a posição das descontinuidades encontradas. A figura 9 apresenta um ponto de solda em vista de corte em uma análise de macrografia.
Figura 9: Distância sonora em um ponto de solda
Fonte: Alich (2001)
A análise de um ponto de solda por resistência em um equipamento de ultrassom com transdu-tor do tipo A-scan é realizada por interpretação indireta e atributiva, porque o ponto é apenas classificado como bom ou ruim.
Essa classificação é suficiente
para o controle de processo
sem ensaios destrutivos, mas
não ajuda na prevenção de
fa-lhas, pois não apresenta dados
quantitativos das
proprieda-des de um ponto de solda.
A figura 10 exemplifica o ensaio em um ponto de solda por resistência. A sequência de ecos múltiplos da espessura da união, sem ecos in-termediários e com atenuação sonora uniforme, apresenta um resultado provocado pela forma-ção bainítica no caso de aços de baixo carbono na região fundida, propiciando uma grande atenuação. São esperados de cinco a oito ecos múltiplos até a atenuação completa do pulso inicial. (STOCCO; BATALHA, 2010).
Figura 10: Imagem ultrassônica representando um ponto de solda aprovado
Fonte: Welding Science (2012)
A desvantagem deste tipo de ensaio são a complexidade das formas de ondas obtidas e a interpretação delas, que pode ser complexa e demandar tempo excessivo, incompatível com os fluxos produtivos típicos de uma linha de montagem da indústria automotiva: corre-se o risco de perda de produtividade em caso de ensaios não-imediatos. (AURES, 2006).
2.3 Transdutor matricial
B-scan
Ensaios de ultrassom com transdutor matri-cial são importantes referenciais em tecnologia de inspeção de solda por resistência a ponto. (MAEV et al., 2000). A maior diferença em relação ao transdutor de simples elemento se resume à evolução do software gráfico, o que facilita bastante a interpretação do resultado. Em vez de uma simples varredura mecânica, o sinal percorre uma matriz de pequenos trans-dutores. Cada elemento desta matriz recebe e envia sinais independentes, coletando, assim, a informação estrutural da amostra detectada por aquele elemento específico. (DENISOV, 2004). A figura 11 ilustra este tipo de transdutor.
Figura 11: Transdutor matricial
Fonte: Denisov (2004)
Com o funcionamento combinado de múlti-plos sensores, é possível construir uma imagem interna do ponto de solda a uma determinada profundidade (MAEV et al., 2000). A figura 12 ilustra o princípio de funcionamento desta matriz.
Figura 12: Representação do percurso sonoro na amostra e do sinal correspondente
A B C
Surface
reflection reflectionInternal Second internal reflection
Surface
reflection Back face reflection
Fonte: Denisov (2004)
Observando a figura 12, conclui-se que as reflexões sonoras em A e B amplificam os ecos iniciais e finais apontando a existência de descontinuidades. Nota-se que C não possui amplificação sonora intermediária, apontan-do um ponto de solda sem descontinuidades. Utilizando um ultrassom com transdutor matri-cial, é possível conhecer, de forma automática, o diâmetro da região fundida, sem a necessidade de realizar ensaio destrutivo. A interpretação dos resultados passa a ser de forma direta, sem a necessidade de interpretações gráficas.
A figura 13 elucida como é realizada a leitura de um ensaio utilizando a imagem A-Scan (à esquerda) em conjunto com B-scan (à direita). O princípio de interpretação dos resultados de-monstrados no gráfico A-scan continua sendo o mesmo, quando comparado com o transdutor de simples elemento. A atenuação indicada em “superfície” é a emissão do eco de impulso, a faixa que indica defeito possui dois intervalos denominados como “gate de medição”. A figura ilustra a janela de sinal e a terceira atenuação representa a superfície final.
Figura 13: Imagem A-Scan trabalhando de forma associada com B-Scan
Superfície Defeito Defeito (Segunda reflexão)
Janela de sinal
Fonte: Denisov (2004)
Com a combinação de algoritmos, este tipo de equipamento permite gerar uma estimativa automática do diâmetro do ponto de solda, que é parâmetro mais importante no controle de qualidade deste processo. (STOCO, 2003).
A figura 14 ilustra a tela a ser conferida por um inspetor de soldagem após o ensaio de um ponto de solda por resistência. Destacam-se as sete interpretações fundamentais para a qualificação de um ponto de solda por resistência que um inspetor deve conhecer.
Figura 14: Display Ultrassom Tessonics
1 2 3 7 6 5 4
Fonte: Welding Science (2012)
O quadro 1 sintetiza as indicações da figura 14.
Quadro 1: Interpretação dos resultados de ensaio de um equipamento típico
Item Característica e unidade Descrição Especificação
1 Diâmetro do ponto, mm.
Valor utilizado para clas-sificar o diâmetro do pon-to de solda encontrado, diâmetro mínimo.
Conforme programa de cada conjunto.
2 Indentação, mm.
Valor utilizado para ava-liar a redução de espes-sura resultante do ponto de solda.
Conforme programa de cada conjunto.
Item Característica e unidade Descrição Especificação
3 Representa o ponto de solda e a zona afetada pelo calor (ZAC), cores.
Através das cores pode-se interpretar o ponto de solda, suas descontinui-dades e regiões afetadas pelo calor.
Verde escuro: ponto bem caldeado, fundido. Verde fraco: ponto mal caldeado, baixa penetra-ção da solda.
Verde com manchas amarelas: presença de microfissuras.
Cinza: ar.
Rosa escuro: metal afeta-do pelo calor.
Rosa claro: metal não afe-tado pelo calor.
Amarelo no contorno do ponto: expulsão do zinco.
4 Amplificação sonora de entrada, Hz. Certifica que o trans-dutor foi corretamente posicionado.
De 1,5 a 2 pontos para cima e para baixo.
5 Valor da espessura da primeira chapa. Valor da espessura encon-trada da primeira chapa. Especificado conforme cada programa.
6 Gate de medição (sem unidade). Intervalo em que demons-tra a existência de ecos secundários.
Um ponto caldeado não pode apresentar ecos secundários.
7 Amplificação sonora de saída, Hz. Certifica que o trans-dutor foi corretamente posicionado.
De 0,25 a 0,5 pontos para cima e para baixo.
Fonte: Tessonics (2013)
O inspetor se torna
impor-tante ator para a
acuraci-dade da inspeção e a
padro-nização dos ensaios.
Entre as ferramentas oferecidas por este modelo de equipamento pode-se se citar: login com senha individual para cada inspetor, possibi-lidade de criar programas para cada conjunto
soldado, demonstração estatística dos resultados e geração de relatórios de ensaio (TESSONICS, 2013). Com a programação, elimina-se a ne-cessidade de mapear um conjunto soldado para a realização do ultrassom. Isso ocorre porque o equipamento permite que sejam inseridas imagens dos conjuntos, com a posição dos pontos de solda, e as suas respectivas especifi-cações de diâmetro, indentação e combinação de espessura. No momento em que o inspetor seleciona o código do conjunto, os pontos a
serem ensaiados são apontados para o inspetor. Os programas são criados em um computador e exportados para o ultrassom. Todos os dados relacionados ao equipamento ficam num banco de dados único da empresa, consequentemente, ao atualizar a programação, sempre será inserida a última revisão. Para a realização da progra-mação é necessário baixar do site do fabricante um programa específico, denominado “designer”. Com este programa, é possível criar rotinas de
ensaio para diversos conjuntos e login com senha para os inspetores. Cada inspetor poderá ter um nível de acesso definido pelo administrador. Outro recurso oferecido pelo equipamento é a análise estatística dos ensaios, que permite selecionar um conjunto e avaliar sua performance em um dado período, por métodos gráficos e cartas de CEP eletrônicas. Relatórios podem ser exportados com extensão .xls ou .pdf, com imagens dos pontos ensaiados.
3 A PESqUISA: ESTUDO DE CASO
A Gestamp é uma multinacional espanhola do ramo automotivo, atualmente conta com 93 plantas instaladas e distribuídas entre 19 países. A Gestamp Gravataí iniciou suas atividades no Complexo Industrial Automotivo General Motors em fevereiro de 2006 com a aquisição da sistemista Polyprom, incrementando as ope-rações locais com ampliação das atividades e fabricação de novos componentes. Atualmente, a empresa conta com uma área construída de 16.000m², suas instalações anteriores eram de 6.000m². A ampliação é resultado do início da fabricação de novos produtos, devido ao lançamento de dois novos carros do cliente principal – a GM. Entre os principais produ-tos produzidos, é possível citar os conjunprodu-tos soldados: caixa de roda dianteira, longarina dianteira, longarina traseira, caixa de roda traseira, assoalho dianteiro, suporte lanterna traseira, reforço da coluna traseira, coluna “A” e coluna “B”.
Todos os produtos citados anteriormente são resultado de um conjunto de estampados mon-tados por meio do processo de solda por resis-tência. A figura15 ilustra que a montagem dos conjuntos resulta na carroceria de um veículo.
Figura 15: Conjuntos formando a carroceria
Fonte: Gestamp Paraná (2013)
A montagem da carroceria do veículo é feita em linha, tendo emprego de 118 robôs indus-triais para a aplicação de 1498 pontos de solda. Atualmente, a operação conta com 250 colabo-radores alocados em dois turnos de trabalho, para atender a um volume médio de 300 peças/turno. A empresa possui certificações de Qualidade (ISO TS16949), ambiental (ISO14001) e os sistemas de gestão são integrados.
O método desenvolvido é apresentado na figura 16.
Figura 16: Resumo do estudo de correlação entre macrografia e ultrassom
Análise crítica. Definir um conjunto
soldado que possua diversas combinações de chapa. Longarina traseira esquerda. Identificar quantas combinações de chapa possui a peça. (25)
Numerar os vinte e cinco pontos na peça.
Realizar ensaio de ultrasom nos pontos
numerados. 1 1 Cortar os pontos ensaiados em ultrassom e prepará-los para macrografia. Realizar macrografia nos vinte e cinco pontos.
Análise atributiva e quantitativa dos
resultados.
Fonte: Gestamp Paraná (2013)
Para iniciar o estudo de
correlação, precisava-se
definir qual o ensaio
des-trutivo a ser utilizado
como comparação.
A empresa dispõe de recursos para trabalhar com dois tipos de ensaio destrutivos: macrografia e teste de arrancamento. Mesmo sendo um ensaio mais demorado, optou-se pela macrografia, pois tornava possível a análise quantitativa completa do ponto de solda, ao contrário do ensaio de arrancamento que apenas permite o conheci-mento do diâmetro do ponto. Além disso, foi considerado que um ponto submetido ao teste
de arrancamento sofre deformações elásticas que comprometem a precisão dos dados. Outro resultado indesejado neste ensaio é a presença da segunda chapa presa ao ponto. Esta situação seria um agravante para o estudo, visto que a medição é realizada com paquímetro e a segunda chapa é um empecilho para a medição. A figura 17 ilustra o equipamento de ultrassom utilizado no estudo.
Figura 17: Imagem do equipamento utilizado para ensaio de ultrassom
Fonte: Tessonics (2013)
Seguindo o método ilustrado na figura 16, foram correlacionadas, em uma planilha, 25 imagens dos pontos de solda ensaiados em ultrassom com 25 imagens de ensaio da macrografia com os respectivos valores de diâmetro e indentação. Ao comparar as imagens, foi possível realizar uma análise qualitativa relativa às descontinui-dades. Com os dados de diâmetro e indentação, em mm, foi feita uma análise quantitativa. Para testar a existência de correlação, aplicou-se um estudo de correlação linear simples suportado por planilha eletrônica, baseado no diagrama de dispersão. O coeficiente de correlação R varia de -1 a +1. A interpretação é apresentada na tabela 1.
Tabela 1: Interpretação de R
Valor de R Interpretação
R = -1 Correlação perfeita negativa.
-1 < R < 0 Correlação negativa.
R = 0 Correlação nula.
0 < R < 1 Correlação positiva.
R = 1 Correlação perfeita positiva.
0,2 < R < 0,4 Correlação fraca. 0,4 < R < 0,7 Correlação moderada. 0,7 < R < 0,99 Correlação forte.
Fonte: Adaptado de Bussab (1988)
As figuras 18 e 19 apresentam, respectivamente, as correlações entre o diâmetro do ponto de solda e a indentação, medidos por macrografia e por ultrassom. Com base na tabela 1, é possível afirmar que existe correlação positiva fraca entre os diâmetros e correlação positiva moderada entre as indentações.
Figura 18: Correlação entre ultrassom e macrografia inicial para o diâmetro do ponto de solda
0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 2 4 6 8 10 R² = 0,276 Ø U Ø M Ø U Ø M Linear (Ø U Ø M)
Figura 19: Correlação entre ultrassom e macrografia inicial para a indentação do ponto de solda 0,7 0 R² = 0,566 IUXIM IUIM Linear (IUIM) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Linear (IUIM)
Fonte: Gestamp Paraná (2013)
As correlações encontradas foram baixas, não podendo ser classificadas como fortes, segundo a tabela 1. Foram discutidos alguns pontos críticos que poderiam ter influenciado os resultados.
■ A preparação dos corpos de prova foi
com-plexa e os recursos limitados. Por exemplo, foi preciso recortar os 25 pontos no conjunto e depois preparar os corpos de prova e esta atividade envolveu mais de uma pessoa.
■ Não existia certeza se foram comparados os
ensaios com as combinações de chapa no mesmo sentido. Por exemplo, há a possibi-lidade de ter medido num lado do ponto no ultrassom e do outro lado na macrografia.
■ O diâmetro do ponto de solda por vezes não
é uniforme, o que gerou dúvida a respeito da seção que o ponto foi cortado. Por exemplo, o ponto foi cortado em qualquer seção, e isso influencia no resultado da macrografia. Com base nesta análise crítica, foi redesenha-do um novo experimento. Para cada tópico abordado, definiram-se três ações, objetivando reduções de variáveis dos dados coletados:
■ Foram confeccionados cinco corpos de
prova, com diferentes combinações de es-pessura de chapa, considerando as mais utilizadas nos conjuntos. Corpos de prova são mais fáceis de preparar para a macro-grafia. Com isso, eliminou-se a variável de preparação dos corpos de prova.
■ Identificou-se o lado de cada ponto a ser
ensaiado, para ter certeza que se comparou sempre o mesmo lado do ponto.
■ Como o primeiro ensaio é realizado no
ultrassom, foi possível identificar a maior seção do ponto antes do corte. Definiu-se como padrão marcar os pontos na maior seção. Assim, teve-se certeza de comparar sempre os diâmetros máximos.
Antes da confecção dos corpos de prova, surgiu mais uma questão. O ensaio não estava simulando falhas internas nos pontos de solda. Com auxílio de parame-tristas, foi possível simular os principais defeitos que ocorrem no processo de solda ponto: ponto colado, microfissura interna e diâmetro menor.
Essas falhas foram simuladas durante a sol-dagem dos corpos de prova. O objetivo desta simulação foi avaliar o comportamento gráfico reproduzido pelo ultrassom de um ponto de solda reprovado na macrografia.
O quadro 2 exemplifica três situações, em que respectivamente se tem: um ponto de solda com microfissura, ponto colado e ponto bem caldeado.
Quadro 2: Correlação entre ultrassom e macrografia, atributiva, corpos de prova
Ultrassom Macrografia Exemplo Formas de detecção com o ultrassom
Microfissura Imagem gráfica apresentou pontos amare-los, representando a microfissura encontra-da na macrografia.
Ponto colado Imagem gráfica apresentou rosa escuro identificando um metal que aqueceu, mas não fundiu.
Ponto bem
caldeado Imagem gráfica apresentou um verde escuro representando um ponto bem caldeado.
Fonte: Gestamp Paraná (2013)
As amostras foram confeccionadas e os ensaios novamente realizados, sempre como na figura 16. Os novos valores das correlações são apresentados nas figuras 20 e 21. Segundo a tabela 1, as novas correlações são positivas fortes.
Figura 20: Correlação entre ultrassom e macrografia final para o diâmetro do ponto de solda
12 10 8 6 4 2 0 -2 0 2 4 6 8 10 DU1 DM1 DU1 DM1 Polinômio (DU1 Dm1) R² = 0,946 Linear (DU1 Dm1) R² = 0,93
Figura 21: Correlação entre ultrassom e macrografia final para a indentação do ponto de solda
1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,2 0,4 0,6 IU IM IU IM Linear (IU IM) R² = 0,825 Polinômio (IU IM) R² = 0,889
Fonte: Gestamp Paraná (2013)
Eliminando as variáveis
levantadas na análise
crítica, as correlações
encontradas tornaram-se
satisfatórias.
Avaliou-se também o comportamento gráfico das imagens geradas pelo ultrassom, comparan-do aos ensaios de macrografia. Esta análise foi possível devido à simulação de diferentes falhas na soldagem dos corpos de prova. Com isso, foi possível visualizar como uma não conformidade evidenciada na macrografia surge no ensaio por ultrassom. Comprova-se, portanto, a informa-ção fornecida pelo fabricante do equipamento conforme quadro 1, item 5.
3.1 Discussão
Os ganhos com a eliminação dos ensaios des-trutivos podem ser classificados em tangíveis e intangíveis. Inicia-se pelos tangíveis.
O retorno sobre o investimento foi rápido. O equipamento de ultrassom utilizado custou cerca de R$90.000,00, somados aos custos de treinamento e peças sobressalentes. A empresa fornece 23 conjuntos soldados, que correspon-dem a uma quantidade de 1.498 pontos de solda a serem inspecionados. O menor conjunto possui dois pontos de solda e o maior 230 pontos. A demanda total de ensaios por dia, considerando a realização de um ensaio por dia em cada conjunto, gera uma expectativa total de redução de 44.940 segundos de ensaio no ultrassom e 13.482 segundos de ensaio por teste destrutivo. Para se chegar a este número, calculou-se a média de um ponto no ultrassom, que é ensaiado em trinta segundos, enquanto que em um teste de arrancamento leva 90 se-gundos. Multiplicando-se os tempos pelo total de pontos de um conjunto a ser montado, che-ga-se ao valor total. Isso significa que o ensaio de ultrassom é três vezes mais rápido do que o teste destrutivo por arrancamento. Os planos de controle de processo da empresa estabelecem uma frequência de ensaio de ultrassom no início e fim de turno e uma peça destruída por dia.
O objetivo final do estudo é adotar apenas o ultrassom para a operação de detecção de falhas na solda. Para tanto, comparou-se a necessidade de mão de obra e recursos materiais para a realização dos dois en-saios, tendo como base a realização de dois ensaios por turno.
Um turno de trabalho equivale a 9 horas/dia. Subtraindo as paradas programadas, que são café e almoço, consegue-se obter o tempo líqui-do disponível por dia, que é de 29.700 segunlíqui-dos. Com base nesses dados apresentados, é possível chegar à necessidade de mão de obra para o ultrassom, como na equação a seguir.
Para manter a frequência de dois ensaios de ultrassom por turno, tem-se a necessidade de três conjuntos inspetor-equipamento. Para os ensaios destrutivos, a necessidade é o triplo deste valor. A mão de obra excedente foi deslocada para outras atividades, evitando contratações. Outro benefício foi o custo gerado por testes destrutivos: custo de material, mais processo envolvido na fabricação destes conjuntos. Para quatro conjuntos por dia, equivalente a dois conjuntos a cada turno, o valor total de refugo corresponde a um montante de R$ 85.679,00 por dia, correspondendo a 576kg de material por dia de resíduos descartados.
Passa-se, agora, aos benefícios intangíveis. Em um turno de produção são feitas 300 peças. O estoque de peças prontas oscila entre o volume de um turno ao de um dia de produção, ou seja, de 300 a 600 peças. Portanto, definiu-se realizar a inspeção a cada 150 peças, o que equivale a duas inspeções em cada conjunto por turno. Com isso, se identificada alguma falha, o lote ainda estará na planta, consequentemente o cliente estará protegido, pois não receberá o lote pro-blemático, e haverá tempo de reposição. Como todo ensaio é arquivado com a rastreabilidade da peça, o lote suspeito poderá rapidamente ser contido. Identifica-se a rastreabilidade da peça em que se detectou o defeito e da última peça ensaiada e, com isso, pode ser identificado todo o lote como produto suspeito. Problemas com qualidade em solda-ponto são críticos. Se identificados apenas na planta do cliente, podem ocasionar a perda por completo de toda uma carroceria, sendo este custo repassado à
empresa. Se for identificado em campo, pode gerar até mesmo a perda de assistência de um veículo, porque afeta a segurança dos ocupantes.
Por isso é fundamental um
diagnóstico rápido e
segu-ro de cada lote de peças
enviado.
Como a qualidade deixou de ser um requisito e hoje é atributo intrínseco ao produto, seu retorno tornou-se intangível, pois sua falta pode afetar a sua imagem corporativa da empresa. Os volumes de produção são altos e, neste contexto, a necessidade de se ter um diagnóstico rápido e seguro de um lote produzido, antes do envio para o cliente, é vital.
Outro tipo de ganho
intan-gível diz respeito à
redu-ção de riscos à saúde dos
trabalhadores.
O ensaio destrutivo é manual e desgastante, pois depende do uso da força humana. O operador segura um martelete de cerca de 3kg, posiciona a talha com um formato de fenda em meio às chapas para forçar o desprendimento das mesmas até que estas se rasguem. Existem alguns riscos ergonômicos neste ensaio, tais como ruídos, esforços repetitivos e riscos de acidente.
Demanda total untrassom (s) x Frequência de ensaio (por turno)
= 44.940 x 2 = Disponibilidade líquida (por turno) 29.700 = 3 conjuntos inspetor - equipamento (eq. 1)
O ruído ocorre devido ao contato repetitivo da fenda acionada pelo martelete com a peça. Em medições realizadas com decibelímetro, constatou-se que o teste atinge 105db. Um protetor auricular comum atenua em média 20db. Portanto, o operador fica exposto a 85db, o que atinge o limite permitido para uma jornada de oito horas de trabalho por dia.
Em função do ruído,
en-saios destrutivos requerem
isolamento, geralmente em
cabines acústicas.
O martelete usado no teste também é prejudicial à saúde, pela excessiva vibração e repetição de movimentos, causando lesões por esforços repetitivos. Luvas e cabos especiais atenuam, mas não eliminam o risco. As peças ficam presas em morsas gerando risco ao escaparem, devido à presença de arestas cortantes dos estampados. Como as morsas sofrem constantes pancadas, precisam ser substituídas frequentemente por danificarem as roscas do eixo de aperto. O ensaio de ultrassom, ao contrário, não ne-cessita de força humana e sim técnica e perfil analítico apurado. A fonte de energia é por bateria elétrica, o que permite flexibilidade na utilização de campo, podendo ficar na saída dos conjuntos soldados, disposto sobre uma simples bancada. O operador de ultrassom pode trabalhar sentado, desenvolvendo poucos e leves esforços em bancada.
4 CONCLUSÕES
O objetivo deste artigo foi testar a viabilidade de substituir ensaios destrutivos por ensaio por ultrassom nas operações de controle de qualida-de no processo qualida-de solda a ponto por resistência em uma empresa da indústria automotiva. O método de pesquisa foi o experimento.
Por análise de correlação entre parâmetros de processo de soldagem, concluiu-se que é possível controlar a qualidade do processo de solda a ponto por resistência por ensaio não-destrutivo, baseado em ultrassom.
Os ganhos obtidos e verificados foram:
■ financeiros: liberação de seis operadores
para outras atividades; redução de cerca de R$80.000,00 reais por dia; e redução na geração de sucata de cerca de 570kg por dia;
■ qualidade: tratamento imediato de
proble-mas de qualidade, com percepção positiva do cliente final à montadora de veículos;
■ ergonômicos: expressiva redução de ruídos e
de esforço físico de trabalhadores. Ainda não existe uma série histórica de afastamentos que possa ser invocada para comprovar este ganho, por ora intangível.
Adicionalmente, o time de inspetores sentiu-se mais valorizado, pois a atividade de ultrassom é mais técnica e gera mais interesse de operados de produção quanto à futura ocupação destas vagas.
Como sugestão de continuidade de pesquisa, uma oportunidade ainda a ser explorada é a otimização dos ensaios de ultrassom. Trata-se de uma avaliação das combinações de chapa existentes em cada conjunto com a respectiva sequência de solda aplicada por cada robô. Um grupo de pontos considerado comum é aquele em que todos os pontos possuem as mesmas
combinações de chapa, e ainda aplicadas por um mesmo robô. Identificando esses grupos de pontos nos conjuntos de solda, poderia ser validado o ensaio no primeiro e no último ponto de cada grupo, totalizando dois ensaios por grupo de pontos. Desse modo, programas de ultrassom podem ser criados, diminuindo a demanda de ensaios.
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ULTRASOUND TESTING
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PROCESS IN INDUSTRIAL
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ABSTRACT
The purpose of this article was to test the feasibility of replacing destructive testing by ultrasonic testing in quality control operations in the process of resistance spot welding in a company of the automotive industry. The research method was the experiment. The unit under analysis was a company located in the Automotive Industrial Complex of Gravataí. The results of des-tructive testing and non-desdes-tructive testing based on ultrasound were compared. Mathematical correlation analysis was used to compare the performance of the welding parameters selected for the test. Correlations between ultrasound and macrography of the diame-ter of the spot welded and of spot indentation were calculated. The first round of testing was not success-ful. After correction of the testing methodology, high correlations of above 80% were found, which gave scientific support for the adoption of ultrasound as a method of inspection. The elimination of destructive testing resulted in financial, quality, environmental and ergonomic gains. It was eliminated around 570 kg per day of discarded scrap, cost of testing fell by around R$ 80,000 per day, there was an improvement in image with the carmaker, by reducing defects and rework and substantial noise reduction and physical effort of workers.
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Data de recebimento: 16/07/13 Data de aprovação: 20/11/14
Miguel Afonso Sellitto Doutor e Mestre em Engenharia de Produção pela UFRGS. Especialista em Gestão da Qualidade pela Unisinos. Graduado em Engenharia Eletrônica pela UFRGS. É professor de mestrado e doutorado e pesquisador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção e Sistemas – Unisinos. Pesquisador do CNPq. Possui aperfeiçoamentos importantes em manutenção, gestão e produção na Inglaterra, Estados Unidos e Japão. Tem vinte anos de experiência executiva em grandes empresas e é consultor em manutenção, produção, estratégia e logística.
Rafael Antunes Morais Técnico em Mecânica de Precisão, formado pelo Centro Tecnológico de Mecânica de Precisão - SENAI - CETEMP. Engenheiro de Produção, com habilitação em Mecânica, graduado pela Universidade do Vale do Rio dos Sinos - Unisinos. Trabalha na área de Engenharia de Processos desde 2002, em que desen-volveu suas atividades em empresas como: Springer Carrier, DHB - Componentes Automotivos, Lear Corporation. Atualmente atua como Engenheiro de Processos na Gestamp Automación, com trabalho concentrado nos processos de solda MAG e solda ponto por resistência. Durante seus doze anos de experiência profissional, possui trabalhos implan-tados que resultaram em melhoria de qualidade e otimização de processos.
